NAND闪存
什么是NAND闪存?
NAND闪存是一种非易失性存储不需要电源就能保留数据的技术。NAND闪存开发的一个重要目标是降低每比特的成本并增加最大芯片容量，以便闪存可以与硬盘等磁性存储设备竞争。NAND闪存在经常上传和替换大文件的设备中找到了市场。MP3播放器、数码相机和USB闪存驱动器使用NAND技术。
NAND闪存将数据保存为块，并依靠电路来存储数据。当电源从NAND闪存上断开时，金属氧化物半导体将为存储单元提供额外的电荷，从而保留数据。通常使用的金属氧化物半导体是浮栅晶体管(燃煤)。FGT的结构类似于NAND逻辑门。
NAND存储单元由两种类型的门组成，即控制门和浮动门。这两个门都有助于控制数据流。为了对一个单元进行编程，向控制门发送一个电压电荷。
NAND闪存操作
闪存是一种特殊类型的电子可擦除可编程只读存储器（EEPROM）芯片。闪存电路创建列和行的网格。栅极的每个交叉点都有两个晶体管，由一层薄薄的氧化层隔开——一个晶体管称为晶体管浮置栅极另一个叫做控制门．控制门将浮动门连接到网格中各自的行。
只要控制门提供这个链接，存储单元的数字值为1，这意味着位被擦除。为了将单元转换为数字值0——有效地对比特进行编程——必须进行一个称为福勒-诺德海姆隧道(Fowler-Nordheim tunneling，简称tunneling)的过程。
隧穿改变了电子在浮栅中的放置方式。信号电压沿着栅极的相应列线发送，进入浮栅并排出浮门上的电荷落地。这种变化导致电子被推过氧化层并改变氧化层上的电荷，从而在浮栅和控制栅之间形成屏障。当这种变化将电荷降低到某个阈值电压以下时，电池的值变为数字0。闪存单元可以通过施加更高的电压电荷来擦除（返回到数字1），从而停止隧穿并将电荷返回到浮栅。
此过程需要有源控制电路提供电压。但一旦芯片的外部电源断开，构成闪存设备的电池将无限期地保持充电或放电状态。这就是NAND闪存不易失性的原因。
在闪存单元中发生的充电和隧穿过程对晶体管具有破坏性，在单元开始损坏和失效之前，只能对单元进行有限次数的编程和擦除。这是一个叫做内存的闪存概念磨损或者只是穿着。
NAND闪存的历史与发展
闪存的起源可以追溯到金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的发展。MOSFET技术发展于1959年，浮动栅MOSFET于1967年问世。这些早期晶体管的开发人员意识到，这些器件可以在没有外部电源的情况下保持状态，并提出将它们用作可编程只读存储器(PROM)芯片的浮动门存储单元，这种芯片既非易失性又可重新编程——这是现有ROM芯片灵活性的潜在优势。这些晶体管在20世纪70年代形成了可擦除PROM (EPROM)和EEPROM设备的基础，尽管它们的使用受到限制。
东芝的设计师是第一批将一组一组的闪存单元重新设计成块或组，并添加用于快速擦除整个块的电路。这种快速擦除据说发生在闪光这个名字就流传下来了。NOR闪存在1984年提出，NAND闪存在1987年提出。
东芝在1987年制造了一些第一批NAND闪存设备，而英特尔在1988年制造了NOR闪存设备。基于NAND的可移动存储卡设备，如SmartMedia，出现于20世纪90年代中期，涉及多种变体，包括MultiMediaCard和其他形式因素。可移动卡，如miniSD和microSD，发展和提供更好的性能在较小的形式因素。
制造商在NAND闪存密度取得了长足进步,性能和可靠性在2000年代和2010年代,它利用新兴细胞设计技术,如多层细胞(多层陶瓷)提供两位/细胞,triple-level细胞(TLC)存储三位/细胞和quad-level细胞(QLC)一个单元存储四个字节。存储单元技术的进一步发展使存储单元层层堆叠，以提供更大的闪存容量。
NAND闪存的类型
常见类型的NAND闪存包括SLC、MLC、TLC、QLC和3D NAND。区分每种类型的是每个单元的位数。每个单元中存储的位越多，NAND闪存的成本就越低。
- SLC，或单级单元，每个单元存储一位。SLC具有最高的耐久性，但也是最昂贵的NAND闪存类型。
- MLC，或多级单元，每个单元存储两位。因为擦除和写周期发生次数是SLC的两倍，MLC的耐力比SLC低。但是，它比较便宜。许多电脑将使用MLC。
- 薄层色谱，或三级单元，每个单元存储三个位元。许多消费级产品将使用这一点，因为它更便宜，但性能较差。
- QLC或四电平单元，每个单元存储四位。QLC的耐久性甚至更低，而且通常更便宜。
- 3 d与非--2D或平面NAND只有一层存储单元，而3D NAND将单元堆叠在另一层之上。三星将3D NAND称为垂直NAND或V-NAND。
NAND闪存短缺
对数据存储和便携式设备的不断需求导致了NAND闪存芯片的短缺。NAND闪存短缺始于2016年，一直持续到2021年。短缺的部分原因是需求，但也是因为供应商正在从制造2D或平面NAND过渡到更密集的3D NAND技术。制作3D NAND芯片是一个更复杂的过程。
如今，固态硬盘（SSD）和智能手机是NAND闪存市场的主要驱动力。到2020年，NAND闪存市场已超过460亿美元，预计到2026年将超过850亿美元。
NAND闪存和NOR闪存
闪存的两种主要类型是NAND和NOR闪存，它们的名字来自于各自的逻辑门。
NAND闪存在小于设备的块中写入和读取，而NOR闪存独立读取和写入字节。NOR和NAND闪存的使用案例包括笔记本电脑和台式电脑；数码相机和音频播放器；智能手机；电子游戏；及科学,工业及医疗电子学。
NAND闪存比NOR闪存提供更快的擦除和写入时间，而NAND技术以更低的每比特成本提供更好的密度。NAND的耐久性是NOR的10倍。
NAND不适合替代ROM，因为它不提供字节级随机访问，而存储在ROM上的数据通常需要字节级随机访问。NOR内存可以很好地替代RAM和ROM驱动器。NAND与辅助存储器设备，如硬盘。这使得NAND闪存很适合大容量存储用例，比如ssd。
NAND闪存的局限性和挑战
闪存技术为现代电子设备带来了巨大的好处——从相机中的非易失性存储卡到企业级SSD。但尽管有这些好处，NAND闪存等闪存技术仍存在一些影响性能和可靠性的关键限制和挑战，包括磨损、擦除、串扰和灵敏度。
- 闪存有有限数量的程序/擦除(P/E)周期。在存储单元完整性开始失效之前，大多数基本闪存产品的额定P/E周期为100,000次，但有些类型的NAND闪存芯片的额定P/E周期为100万次或更多。通常通过将写操作分散到整个闪存设备(称为穿平。写入验证和重新映射技术也可用于支持坏块管理。值得注意的是，读取周期不受限制。
- 尽管闪存可以一次写入一个字节或字，但闪存必须在整个块中被擦除。当一个块被擦除时，所有位都设置为1。一旦一个位被更改为0，整个块必须被擦除，以将一个位更改回1。在新的写入发生之前，擦除一个块需要有限的时间，这限制了闪存与其他形式的易失性存储器相比的整体性能，例如动态随机存取存储器(DRAM). 擦除也是内存磨损问题的一部分。
- 读取NAND闪存会导致附近的存储单元随着时间发生变化。这种现象叫做读取扰动. 实际上，可能需要几十万次读取才能引起一点变化——更可能的是，在达到读取干扰阈值之前，该块将被擦除并重新编程。然而，闪存电路可以计算读取周期，并在发生读取干扰事件之前进行干预以复制块。
- 高能粒子，如X射线，有时会在闪存单元阵列中从0变为1。防X射线存储设备可用于帮助防止此类问题。
NAND闪存行业及厂商
根据魔多的情报，NAND闪存市场在2020年估计价值超过460亿美元，预计到2026年将超过850亿美元，复合年增长率为11.27%。预计这一增长将受到智能手机、存储卡、SSD等计算机设备的需求，甚至人工智能等内存密集型项目的需求推动。NAND闪存设备有六家主要的全球制造商，包括：
- 三星电子
- 基奥西亚
- 西部数字(WD)公司
- 微米技术
- SK海力士
- 英特尔
NAND闪存的未来
NAND闪存已成为现代移动电子设备的重要组成部分。随着这些设备的激增，并努力提供更多的特性和功能，越来越多的NAND闪存将需要处理日益增长的代码和数据存储需求。
NAND闪存设计和发展的主要目标是密度——将更多的比特封装到更小、更低调的芯片中。SK海力士最近开发了128层4D NAND。这有效地实现了实际的1tb NAND存储设备的生产，芯片封装厚度仅为1毫米，非常适合智能手机。同样的,三星生产了一款V-NAND超过100层的设备提供更好的内存性能，更低的延迟和更低的功耗。
这些实现更大容量和卓越性能的基本驱动力可能会塑造NAND设备的未来。制造商已经在开发192层3D NAND和256层NAND设备。制造商将通过使用创新的闪存电路设计以及不断改进的半导体材料和生产闪存晶片的制造技术来实现这些目标。同时，闪存制造商将寻求通过延长NAND设备的磨损寿命和减少误码的可能性来提高NAND设备的可靠性，例如读取扰动——现象。
